آشفتگی قاعده‌مند؛ کشف قانونی جدید که می‌تواند نحوه شکستن اجسام را پیش‌بینی کند

وقتی بشقابی از دستتان می‌افتد یا لیوانی می‌شکند، معمولاً از کثیفی و هزینه‌ی جایگزینی آن ناراحت می‌شوید. اما برای برخی فیزیکدان‌ها، تکه‌های شکسته جذابیت علمی دارند: آن‌ها می‌خواهند بدانند چرا وقتی اجسام می‌شکنند، تکه‌ها به اندازه‌ها و شکل‌های مختلفی تقسیم می‌شوند و این الگوها چه قوانینی دارند.

امانوئل ویلرمو از دانشگاه ایکس-مارسی فرانسه، قانونی ساده ارائه کرده است که می‌تواند پیش‌بینی کند اجسام چگونه می‌شکنند. این قانون شامل انواع مختلف شکستن است؛ از جامدات شکننده مانند شیشه و سرامیک گرفته تا قطرات مایع و حتی حباب‌های منفجرشونده، یعنی تقریباً همه چیز را شامل می‌شود. این یافته می‌تواند به ما کمک کند بهتر بفهمیم که چرا شکستگی‌ها این‌قدر متنوع هستند و شاید در آینده در طراحی مواد مقاوم یا پیش‌بینی خطرات شکستگی کاربرد داشته باشد.

دانشمندان مدت‌ها فکر می‌کردند شکستن اجسام الگویی کلی دارد، یعنی اگر تعداد قطعات شکسته‌شده را بر اساس اندازه‌شان بشمارید و نموداری از آن درست کنید، شکل این نمودار تقریباً برای هر جسمی که شکسته شود، یکسان خواهد بود.

امانوئل ویلرموکس نقطهٔ شروع تحقیقات خود را روی آشفتگی عظیمی قرار داد که هنگام شکستن یا خردشدن اجسام رخ می‌دهد. او به این نکته توجه کرد که وقتی جسمی خرد می‌شود، قطعات حاصل معمولاً به صورت کاملاً نامنظم و پراکنده ظاهر می‌شوند و نظم مشخصی در آن‌ها دیده نمی‌شود.

ویلرموکس استدلال کرد که در اکثر مواقع، محتمل‌ترین نتیجه، همان حالت شلوغ و نامنظم است، یعنی طبیعت تمایل دارد مسیر کم‌مقاومت و آسان‌ترین راه را انتخاب کند تا انرژی را به شکل بهینه مصرف کند. او این اصل را «حداکثر بی‌نظمی» نامید و با این ایده توانست چارچوبی برای درک الگوهای خردشدن انواع اجسام، از جامدات شکننده گرفته تا قطرات مایع و حباب‌های در حال انفجار، ارائه دهد.

ازآنجایی که حتی آشفتگی هم باید محدودیت‌های فیزیکی را رعایت کند، ویلرموکس یک «قانون پایستگی» معرفی کرد که تیمش پیش‌تر آن را کشف کرده بود. این قانون مانند قاعده‌ای نامرئی عمل می‌کند و اطمینان می‌دهد که اندازه کلی قطعات خردشده هنگام شکستن جسم به‌طور تصادفی تغییر نکند. ویلرموکس برای ایجاد قانون جهانی خردشدن اجسام، دو اصل را با هم ترکیب کرد: «حداکثر بی‌نظمی» و «قانون پایستگی».

نتیجه این ترکیب، قانونی ساده و شگفت‌آور است که توضیح می‌دهد چرا اجسام مختلف، از شیشه‌های شکسته گرفته تا قطرات مایع و حباب‌های منفجرشده، الگوهای مشابهی از خردشدن نشان می‌دهند.

البته قانون وصف‌شده نمی‌تواند همه حالات شکستن اجسام را توضیح دهد و زمانی بهترین کارایی را دارد که خردشدن جسم به‌صورت کاملاً تصادفی اتفاق بیفتد، مانند زمانی که یک لیوان شیشه‌ای ناگهان از دست رها شده و به زمین می‌افتد و قطعات آن اندازه‌های متفاوت و نامنظمی دارند. اما وقتی ماده‌ای خیلی نرم باشد، مثل برخی پلاستیک‌ها، هنگام شکستن قطعات آن شکل و اندازه مشخصی پیدا نمی‌کنند و الگوی تصادفی به‌طور کامل رخ نمی‌دهد.

همچنین، اگر فرآیند شکستن بسیار منظم باشد، مانند جریان آب که تحت تأثیر کشش سطحی به قطره‌هایی با اندازه تقریباً یکسان تقسیم می‌شود، این قانون نمی‌تواند الگوی ایجادشده را به‌درستی پیش‌بینی کند؛ زیرا در این موارد، خرد شدن جسم تحت قوانین تصادفی رخ نمی‌دهد و نظم و تکرار در اندازه‌ها غالب است.

پژوهش در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده است.